煤田地质学讲义

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1、煤田地质学讲义绪论1、煤田地质学的概念它是研究煤在地壳中分布、聚集规律的科学。2、煤田地质学简史18世纪后半叶，蒸气机的广泛应用带来了工业革命，促进了煤炭资源的需求。为了寻找煤 炭资源，欧洲许多国家成立了地质调查机构，进行地质找矿。19世纪末到20世纪初，电力、冶金和炼钢等工业飞速发展，加速了对煤炭资源的需求，一 些发达国家进行了大规模地质调查，发表了许多煤地质学方面的学术成果。1924年，德国 学者波多涅发表了普通煤岩学概论一书。我国煤地质学的研究起源于鸦片战争。1922年，中国地质学会成立。新中国成立后，开展了两次大规模煤田预测工作，出版了许多区域性煤田地质著作。目前，煤地质学发展日趋成熟

2、，综合地层学、沉积学等理论，煤地质学的发展仍呈现勃勃生 机。3、研究内容 成煤的原始物质和植物的堆积环境。泥炭化作用和腐泥化作用。煤化作用及变质作用 类型。煤的物理性质。含煤沉积体系。聚煤盆地及聚煤规律。煤的伴生矿产资源（煤 层气）。中国煤田地质特征。4、研究方法结合植物学、沉积学、地层学和构造地质学等理论，利用现代测试技术手段进行综合研究。5、学习的意义掌握煤田分布的规律，可以为预测和开发煤炭资源服务；了解煤的物理化学性质，可以为煤 的加工利用及开发新产品服务。第一章成煤原始物质与堆积环境1、煤的概念：煤是一种固态的可燃有机岩。2、成煤作用的概念：从植物死亡、堆积一直到转变成煤，经历了复杂的

3、生物化学、物理化 学及地球化学等一系列变化，这些作用总称为成煤作用。3、成煤作用的两个阶段：第一阶段是腐泥化阶段或泥炭化阶段。在这一阶段，植物的遗体 被微生物分解、化合、聚积，低等植物转变为腐泥，高等植物转变为泥炭。第二阶段为煤化 作用阶段。由于地壳沉降，植物死亡后形成的泥炭或腐泥埋藏于地下深处，在温度和压力条 件下发生固结成岩作用和变质作用。泥炭转变为年轻的褐煤所经历的作用是成岩作用，从年 轻的褐煤转变为老褐煤、烟煤和屋檐煤所经历的作用称为变质作用。第一节成煤物质1、植物的演化与成煤作用的关系：植物是成煤的主要原始物质，因此植物的演化直接影响煤的形成。 菌藻类植物时代。太古代到早泥盆世。 早

4、期维管植物时代。晚志留世到中泥盆世，水生植物向陆生植物过渡。 蕨类和古老裸子植物时代。晚泥盆世到晚二叠世，高等植物繁盛时期，典型植物是高大的 乔木，聚煤作用强，石炭-二叠纪是第一大聚煤期。 裸子植物时代。晚二叠世到中生代，受海西和印支构造运动影响，陆地面积扩大，地形高 差明显，侏罗纪和早白垩纪是第二大聚煤期。我国西部侏罗纪煤炭资源是全国煤炭资源总量 的60%左右。 被子植物时代。早白垩世到古近纪和新近纪，构造活动强烈，气候分带明显，是第三大聚 煤期。2、植物的组成：植物主要由碳水化合物（纤维素、半纤维素和果胶质）木质素、蛋白质和 脂类化合物组成。低等植物主要由蛋白质和碳水化合物组成，脂类含量较

5、高。高等植物以纤 维素、半纤维素和木质素为主。 碳水化合物（纤维素、半纤维素和果胶质）：纤维素是构成植物细胞壁的主要物质，易于 水解，水解后呈胶体状。 木质素：木质素也是构成植物细胞壁的主要物质，比纤维素稳定，不易水解。在沼泽环境 中被微生物分解，参与形成腐植质。 蛋白质：蛋白质是植物细胞质的主要物质，在植物体中所占比例不大，亲水性强，煤中的 N和S与植物的蛋白质有关。 脂类化合物：不溶于水，可溶于有机溶剂。脂类化合物包括脂肪、蜡质、树脂、角质、木 栓质和孢粉质。脂肪性质较稳定，分解形成脂肪酸；蜡质、树脂、角质、木栓质性质稳定， 孢粉质性质很稳定，能耐一定的温度和酸、碱处理，常保存于煤中。第二

6、节植物遗体的堆积环境1、沼泽的概念沼泽是地表土壤充分湿润、季节性或长期积水，丛生着喜湿性植物的低洼地段。形成泥炭层 堆积的沼泽称泥炭沼泽。它既不是真正的陆地，也不是水体，而是介于二者之间的过渡状态。2、泥炭的形成与积累植物死亡后，经生物化学作用分解、合成和聚积，当有机物堆积量超过分解量时，才会形成 泥炭层。泥炭沼泽垂直剖面分三层：表层（氧化环境、中间层（过渡海景X底层（还原环 境）。3、植物残骸的堆积方式以原地堆积为主，少数是异地堆积。具有工业可采意义的煤层大都是原地堆积。第三节泥炭沼泽1、泥炭沼泽的类型根据泥炭沼泽的表面形态、水源补给、营养和植被特征，可以分为三种类型： 低位泥炭沼泽：低位泥

7、炭沼泽潜水位较高，水源补给充足、营养丰富、植被茂盛。易堆积 泥炭层。 高位泥炭沼泽：高位泥炭沼泽潜水位较低，水源补给主要依靠降水，营养差，多为草本和 苔藓，不利于泥炭层形成。 中位泥炭沼泽：中位泥炭沼泽的状态介于上述二者之间。2、泥炭沼泽的发育地段 滨海平原。具有低位泥炭沼泽发育环境。内陆的河流、湖泊。山地和高原地段。3、泥炭沼泽形成的方式 水域转化为泥炭沼泽，又包括三种模式：浅水缓岸湖转化为泥炭沼泽，植物生长类型具有分带现象，在泥炭形成过程中，湖水不断淤 浅，植物类型也相应推移。深水陡岸湖转化为泥炭沼泽，浮游植物死亡后，沉入湖底，转化为泥炭。河流转化为泥炭沼泽，类似浅水缓岸湖转化模式。 陆地

8、沼泽化地面上封闭的洼地可能形成沼泽。第四节泥炭的主要组成及性质1、泥炭的化学组成泥炭中除了含有大量的水分外，还包括有机质和矿物质。 有机质。包括植物残体和腐植质。泥炭有机质含量是指有机质占泥炭干物质总量的百分比。我国泥炭以草本泥炭为主，有机质 含量占60%左右。有机质中，C： 55%，0： 35%，H： 6%，N： 2%，S： 0.3%在泥炭有机质中，以稀碱溶液提取的物质称为腐植酸，是泥炭的特征组分，腐植酸不是单一 化合物，而是由分子大小不同、结构也不同的羟基芳香羧酸组成的混合物。 矿物质泥炭中的矿物质主要来源于风、水流挟带的矿物质通过沉积作用，转化为泥炭的组分。常见 的矿物质有石英、次生粘土

9、矿物。元素以硅为主，其次是铁、铝、钙、镁，矿物质的另一来 源是植物本身。2、泥炭的物理化学性质 分解度：是指植物残体由于腐解作用失去细胞结构物质的相对含量，或者是泥炭中无定形 腐植质占有机质的百分含量。 含水性有湿度和持水量两种表示方法。泥炭湿度是指泥炭中水分占泥炭总重的百分比。持水量是指 泥炭中水分占泥炭干物质重量的百分比。 泥炭的比重和容重泥炭的比重一般为1.4左右，藓类泥炭较轻，木本泥炭和草本泥炭偏重。无量纲。泥炭在自然状态下的容重称湿容重，干燥后的容重称干容重。单位是g/cm3 结构和颜色泥炭结构疏松多孔，力学稳定性差。苔藓泥炭呈海绵状，草本泥炭呈纤维状，木本泥炭为碎 块状。泥炭的颜色

10、与植物、分解度和矿物质有关。例如，苔藓泥炭呈黄色，分解转变为腐植质呈黑 色，含蓝铁矿呈蓝色，含菱铁矿呈浅绿色。 泥炭的可燃性泥炭具有可燃性，用发热量表示。我国泥炭发热量多在10-12MJ/Kg。3、泥炭的类型根据植物的组成，泥炭分为草本泥炭、木本泥炭和藓类泥炭。泥炭类型灰分含量分解能力酸碱度含水量颜色弹性草本泥炭较高较强微酸碱性较少暗较差木本泥炭较低较弱少红褐色差藓类泥炭低弱酸性高淡强第二章泥炭化作用和腐泥化作用第一节 泥炭化作用1、泥炭化的生物化学变化可分为两个阶段：生物化学分解和生物化学合成。 植物残骸中的有机化合物经氧化分解、水解，转化为简单的化学性质活泼的化合物。 分解产物之间合成较稳

11、定的有机化合物，如腐植酸、沥青质。形成腐植酸的过程或作用称 为腐植化作用，腐植化作用不是生物作用，而是在氧化环境中的化学作用。2、凝胶化作用植物在泥炭化过程中经历了腐植化作用后，继而将经历凝胶化作用；凝胶化作用是指植物的 主要组成部分在泥炭化过程中经过生物化学变化和物理化学变化，形成以腐植酸和沥青质为 主要成分的胶体物质的过程。由于植物的木质素和纤维素在物理化学性质上都属于凝胶体， 吸水能力强，在还原环境中逐渐分解，细胞壁先吸水膨胀，胞腔缩小，最后完全丧失细胞结 构，形成无结构胶体，或进一步转化为溶胶；当电性、酸碱性、温度变化时，产生胶体化学 变化，上述物质形成凝胶状态。因为这一过程既有厌氧生

12、物作用，又有胶体化学作用，所以 又称“生物化学凝胶化作用”。3、丝炭化作用当沼泽表面比较干燥，氧供应充足的情况下，植物细胞壁中的木质素和纤维素在微生物参与 下脱氢、脱水，碳含量增加，氧化到一定阶段后植物遗体迅速转入弱氧化或还原环境中，或 被泥沙覆盖后中断氧化作用，这个过程称为丝炭化作用。如果丝炭化过程持续进行，将可能导致植物遗体全部分解。当植物遗体存在氧化和还原环境交替变化时，丝炭化和凝胶化作用可能交替进行。需说明的 是，当丝炭化作用充分形成丝炭物质后，凝胶化作用也就终止了。第二节残植化作用残植化作用是泥炭化作用中的一种特殊情况。当泥炭沼泽水流畅通时，在长期供氧充足情况 下，不稳定组分被充分分

13、解，被流水带走，稳定组分富集的过程。还有一种情况是，当沼泽 潜水面下降，植物遗体没有被水覆盖而强烈氧化，造成稳定组分富集。残植化作用的产物经煤化作用形成残植煤。第三节腐泥化作用在湖泊、沼泽水深地带、海湾、浅海等水体中，低等植物藻类和浮游生物遗体在还原环境中 厌氧微生物的参与下，经过复杂的生物化学变化形成富含水分的有机软泥。这个过程称腐泥 化作用。低等植物经分解、缩合和聚合，形成富水棉絮状的胶体物质，经脱水和压实，形成腐泥。腐 泥的颜色一般为黄色、暗褐色和黑灰色。第四节泥炭成分、性质不同的影响因素1、植物群落木本植物富含纤维素和木质素，易形成凝胶化物质，形成的煤以光亮煤为特征；草本植物含 有较多

14、的纤维素和蛋白质，不稳定成分分解，稳定组分富集，形成富含稳定组分（壳质组） 的煤，氢含量和焦油产出率高；苔藓植物能分泌防腐剂，因此苔藓类泥炭常保留较多的不稳 定组分。2、营养供应根据植物生长的营养供应，可分为三种类型：富营养型、中营养型和贫营养型。低位泥炭沼泽常形成富营养型泥炭，高位泥炭沼泽常形成贫营养型泥炭，中位泥炭沼泽常形 成中营养型泥炭。3、介质的酸度酸度高不利于细菌生存，中性或弱碱性有利于细菌繁殖。富钙的沼泽中，多以石灰岩为基底，喜氧细菌活跃，水生植物为主，形成的煤中S、N含量 高，可能与硫细菌的强烈活动有关。高位泥炭沼泽中，酸度高，加上藓类可分泌防腐剂（酚类），不利于细菌生存，所以植

15、物的 细胞结构能保存下来。4、氧化还原条件泥炭的表层处于氧化环境中，容易被氧化形成丝炭；泥炭的底层处于还原环境中，容易形成 镜质组煤。第五节煤的成因分类根据成煤的原始物质和堆积环境，煤分为三类： 腐植类：腐植煤、残植煤。高等植物在沼泽环境中形成。 腐植腐泥类：腐植腐泥煤。高低等植物混合，在湖泊和沼泽环境中形成。 腐泥类：腐泥煤。低等植物和少量动物在湖泊、沼泽深水部位形成。第三章煤化作用及煤的变质作用类型第一节煤化作用的阶段和特征1、煤化作用的两个阶段 煤的成岩作用泥炭形成后，由于盆地沉降，在上覆沉积物的覆盖下埋藏于地下，经压实、脱水、增碳作用， 逐渐固结，经过物理化学作用转变成年轻的褐煤，称为

16、煤的成岩作用。在成岩过程中，木质 素和纤维素继续参与形成腐植酸，已形成的腐植质形成凝胶化组分。 煤的变质作用年轻的褐煤在较高的温度、压力和较长的时间作用下，进一步发生物理化学变化，变成老褐 煤、烟煤、无烟煤和变无烟煤的过程。在这个过程中，腐植质不断发生聚合反应，稠环芳香 系统的侧链减少，芳构化程度提高，分子排列更加规则。2、煤化作用特点 增碳化趋势。挥发分减少，碳相对含量增加。 结构单一化趋势。泥炭阶段含多种官能团，到无烟煤阶段只含缩合芳核，最后演化为石墨。 显微组分均一化趋势。 具有不可逆性。 发展的非线性。 结构致密化，定向排列化。第二节煤化作用的因素1、温度：受地热梯度的影响。2、时间：

17、也是重要因素。3、压力：压力不产生化学反应，但可以使煤的物理结构发生变化。例如孔隙率、水分含量 降低，密度增加，有机大分子定向排列，光的反射率增加。第三节煤化程度指标煤化程度指标，也称煤化指标，煤级指标。常用的煤化程度指标如下： 水分。一般情况下，从低煤级到中高煤级，水分减小。 挥发分。在烟煤阶段，随煤化程度提高，挥发分降低。 镜质组反射率。随煤化程度提高，镜质组反射率增加。 碳含量。随煤化程度提高，C在有机质中的相对含量增加。 氢含量。从无烟煤到变无烟煤阶段，氢含量降低明显。 发热量。发热量与含水量有关，是低煤化阶段煤化程度指标。 壳质组荧光性。壳质组荧光性与反射率互为消长，是低煤化程度指标

18、。 X射线衍射。随煤化程度提高，衍射曲线变陡，强度增加。第四节煤的变质作用类型1、根据热源的类型，煤的变质作用可分为三种类型： 深成变质作用。主要是地热引起，又称区域变质作用。 岩浆变质作用。由岩浆侵入产生的热变质作用。 动力变质作用。由构造运动产生的变质作用。构造运动产生的动压力不直接产生化学反应， 而摩擦生热可以加速煤的变质作用。2、希尔特定律德国学者希尔特根据西欧煤田地质规律提出，在地层大致水平的情况下，深度每增加100 米，煤的挥发分降低2.3%，即煤的变质程度随埋藏深度的增加而提高。第五节煤的工业分类1、煤的工业分类中的一些基本概念 基的概念：基准，前提条件。例如d,ad,daf,d

19、mmf,ar分别代表干燥基、空气干燥基，干 燥无灰基、干燥无矿物质基和收到基。 煤的粘结性。是指煤粒（d 东北 华北 西北 瓦斯浓度都接近90%o 资源丰度：西北 东北 华北 华南 含气饱和度：东北 华南 华北 西北就煤层气资源评价而言，资源丰度的意义更重要。厚度大而含气量低的煤层同样具有开发价 值，使用资源丰度指标作为唯一指标，可以避免多重指标产生的不协调矛盾。四、中国煤层气资源的地面开发简述中国的煤层气开发始于上个世纪90年代中期。90年代以前，中国将矿井瓦斯看作是影 响煤矿安全生产的有害气体；90年代以后，中国成立了中联煤层气有限公司，与美国煤层 气开发公司合作，开发中国的煤层气。90年

20、代中期，首先在山西沁水聚气区打了第一口井， 进行煤层气开发实验，以后相继在内蒙古、新疆、东北、安徽、贵州等地进行煤层气开发实 验。从开发的效果来看，山西省煤层气开发效果较好，其它地方较差。原因很多，其中主要 的原因是煤层气的赋存和运移环境差异较大，山西沁水聚气区与美国的煤层气聚气区有相似 性，可以直接利用美国的煤层气开发经验和技术，而其他地方地质条件差异大，开采的效果 不理想。中国不仅是煤炭大国，也是煤层气大国，煤层气资源量占世界第三，有着巨大的开 发潜力。第三节伴生微量元素 煤中微量元素的聚集决定于成煤原始物质组成、成煤环境，以及经历的物理化学和地球化学 作用。煤中微量元素的富集基本是化学和

21、物理的吸附作用，即成煤物质分解所形成的腐殖酸 和腐植质具有很高的吸附能力；金属有机络合作用也影响元素富集和迁移。成煤环境中酸碱 度和电位值也影响元素的聚集和分散。煤中微量元素的富集受接触变质作用和区域变质作用 的影响。第四节碳沥青碳沥青是油气演化系列的产物，由早古生代菌藻类低等生物遗体在滞流水环境下堆积，随埋 藏深度和地温的增加，有机质形成油气，轻质部分逸散，重质部分形成碳沥青。第八章中国煤田地质特征概述一、古地理构造和聚煤期早古生代继承了新元古代的古构造轮廓。早古生代经历了加里东构造运动，在中国东南部形 成北东向加里东地槽，中国东南部产生早古生代腐泥质石煤；秦岭和阴山广大地区隆起，为 华北石

22、炭二叠纪聚煤盆地形成了良好的基底条件。早古生代末期，中国东南形成加里东期武 夷云开褶皱，扬子陆块增生。晚古生代大部分继承了早古生代的构造轮廓，华北地区仍处于隆起剥蚀状态。泥盆纪开始海 侵，到晚石炭纪，海水漫及华北陆块，形成滨海含煤建造，华南为碳酸盐岩建造。二叠纪时， 内蒙古-大兴安岭海槽闭合、隆起，华北地区成为过渡相和陆相含煤沉积体系，华南仍为广 海碳酸盐岩建造。晚古生代海西运动，中国的天山、祁连山、秦岭和大兴安岭地槽褶皱回返， 形成东西走向巨大山系，秦岭-昆仑以北广大地区隆起，并转化为内陆环境；东南沿海大陆 增生；形成“南海北陆”古地理面貌。晚古生代末到早中生代早期的三叠纪印支运动，改变了中

23、国“南海北陆”的局面，西北“雪 山海槽”全部褶皱隆起，陆地向西南方向增生，海水退至中国西南西藏一带，长江中下游和 华南大部分由浅海转为陆地，中国南北陆地连为一体。印支运动以后，中国东部形成北北东向巨大隆起和凹陷带，以大兴安岭、太行山、武陵山为 界，西部发育晚三叠纪和早中侏罗纪大型聚煤盆地，内陆湖泊相沉积；东部的华北地区发育 早中侏罗纪小型凹陷煤盆地，华南发育晚三叠狭长海湾成煤环境，东北发育晚侏罗纪和早白 垩纪断陷和凹陷煤盆地。侏罗纪和白垩纪期间的燕山运动之后，北京附近的燕山褶皱隆起，大兴安岭、太行山和雪峰 山以西的内陆盆地相对稳定，如鄂尔多斯、四川、准葛尔、塔里木等盆地在中生代期间连续 接受河

24、、湖相沉积，盆地外围是古生代地槽，上述一线以东，构造活动强烈，发育大量北东 向褶皱断裂和小型断陷，并伴随东南沿海一带岩浆侵入和火山运动。新生代以来的造山运动是第三纪的喜马拉雅山构造运动，在印度板块的挤压下，中国西南强 烈褶皱隆起。早古生代煤形成于滨海-浅海环境，为菌藻类转化成的腐泥煤；晚古生代以滨海环境为主， 中、新生代以内陆盆地为主。二、主要聚煤期的古气候：1、晚古生代聚煤期二叠纪植物分区明显。我国大部分为亚热带湿润气候带，发育华夏植物群；东北和西北发育 温带半潮湿安加拉植物群，藏南发育温带和冷温带半潮湿冈瓦那植物群，华北地区为亚热带 半潮湿气候；晚二叠纪时，华北地区南部为温暖潮湿气候，发育

25、煤层和紫斑泥岩，西北和华 北大部气候干燥。2、中生代聚煤期三叠纪时，西北和华北为温带半潮湿气候。早中侏罗纪时，古地中海海洋气团东进，西北气候湿润，降雨量增加，为重要的聚煤盆地； 晚侏罗纪到早白垩纪时，南方为热带、亚热带干旱气候，沉积红层；阴山以北为温带气候； 东北受太平洋影响，湿润多雨，植物繁茂，为断陷煤盆地。3、新生代聚煤期新生代以来，我国从北向南依次为暖温带、亚热带和热带，随青藏高原隆起，欧亚大陆内地 干燥；受太平洋和印度洋影响，东北和西南发育第三纪聚煤盆地。三、中国煤的埋藏地质条件：1、东北区含煤地层主要是晚侏罗纪-早白垩纪，聚煤盆地的形成大多与中国东部大规模的断陷作 用有关，使盆地呈现半地堑或地堑式构造。这些断陷盆地都是在隆起的基础上发育，经常成 群出现。2、华北区自中奥陶世以后，华北地区经过长期剥蚀，地台稳定期的海侵作用广泛发生，晚古生代 近海型煤系遍布全区。上石炭-下二叠统为主要含煤层段；上二叠统累计厚度近千米，仅淮 南一带上石盒子组仍含可采煤层。中生代和新生代，随着地台解体，内部块断运动加强，构 造东、西分异明显，沉积盆地及聚煤区域自西向东规模变小。3、西北区印支运动期后，即三叠纪之后，在西北形成早中侏罗纪山间聚煤盆地。燕山和喜山运动 使煤层埋深增加。4、南方区云贵川保存大量古生代煤。